基于Witness的采煤機驅(qū)動輪加工過程仿真與傳統(tǒng)分析方法的對比

路艷萍，張維林

(1.西安重工裝備制造集團有限公司， 陜西 西安 710054；2.西安煤礦機械有限公司， 陜西 西安 710200)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源的需求不斷增大，煤炭作為我們國家能源的主要組成部分，將長期占有主導地位。近年來，我國建成了許多煤炭能源基地，涌現(xiàn)出了一批高產(chǎn)高效煤礦。采煤機作為煤礦井下工作面一個重要的生產(chǎn)裝備，承載著高產(chǎn)高效礦井的主要生產(chǎn)任務。驅(qū)動輪是采煤機牽引行走時的主要零部件，因為其受到較大的扭力和牽引力，其結(jié)構模塊需要與刮板運輸機上的銷排嚙合來驅(qū)動行走，又要抗拒較大的截割反力，所以易于產(chǎn)生故障，在井下環(huán)境難于更換，因此只能用組件形式來替換[1]。由于采煤機大小不同，驅(qū)動組件的種類也不同，而且制造工藝周期較長，所以經(jīng)常引起停產(chǎn)，嚴重影響煤礦產(chǎn)量。多年來各煤機生產(chǎn)廠家都一直致力于驅(qū)動輪的攻關，既要提高可靠性又要設法提高生產(chǎn)效率，從而滿足易損件驅(qū)動輪組的市場供應[2]。

1 驅(qū)動輪加工傳統(tǒng)分析方法

1.1 驅(qū)動輪加工車間現(xiàn)有工藝布局

某煤機公司機加二分公司負責采煤機驅(qū)動輪的生產(chǎn)，機二分公司位于該公司工業(yè)園區(qū)M7廠房，共分為南北兩跨，加工區(qū)建筑面積約10 000平方米，現(xiàn)有設備總數(shù)120臺，人員170多人，主要承擔采煤機、掘進機及其它煤礦設備中小件、內(nèi)藏齒輪件加工，南跨為中小件加工工區(qū)、北跨為齒輪加工工區(qū)，機床布置順序、零件加工順序由東向西即由粗到精，分別是粗車床區(qū)-精車床區(qū)(插齒、滾齒區(qū))-銑、鉆區(qū)(磨齒區(qū))，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動輪加工區(qū)域布置

涉及到采煤機驅(qū)動輪的生產(chǎn)車間加工區(qū)域主要劃分為車銑加工、磨齒加工、磨削加工、齒形加工、鏜銑、數(shù)控車加工6個區(qū)域。

1.2 傳統(tǒng)經(jīng)驗式分析方法

根據(jù)2016—2019年數(shù)據(jù)，某煤機公司采煤機驅(qū)動輪包括主機及配件年平均生產(chǎn)量維持在300臺左右，采煤機行走箱中的驅(qū)動輪受力復雜、容易失效。近年來，公司為了能夠保證客戶對該易損配件的需求，不斷調(diào)整生產(chǎn)流程，在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下提高加工效率，從而保障驅(qū)動輪配件的市場供應。

根據(jù)在該公司的調(diào)研，目前驅(qū)動輪的加工經(jīng)過不斷的調(diào)整，在以下2個加工工序方面仍然存在問題：

1.2.1 齒形加工效率偏低

根據(jù)公司齒輪工藝組反饋，齒輪齒形加工目前效率不一，尤其是線切割設備數(shù)量及滾齒機設備數(shù)量對大模數(shù)漸開線驅(qū)動輪齒形加工效率的影響較大。目前機二分公司共有大模數(shù)滾齒機2臺(YK31200、YA31200)，線切割機床13臺(CTWQ800Z等)，以2019年度為例，機二分公司共投產(chǎn)各類驅(qū)動輪300件，如果按漸開線齒輪加工時間表及機床數(shù)量測算：

1) 驅(qū)動輪線切割工序的總加工時間為1 852 500 min(30 875 h)，每年法定工作時間約為2 008 h(單臺/單人)，故線切割13臺機床在不考慮故障、檢修、保養(yǎng)、其他零件加工等情況下，每年總工作時間為26 104 h，遠低于驅(qū)動輪線切割加工所需要的工時(30 875 h)。

2) 驅(qū)動輪滾齒工序的總加工時間為558 000 min(9 300 h)，每年法定工作時間約為2 008 h(單臺/單人)，故滾齒機2臺機床在不考慮故障、檢修、保養(yǎng)、其他零件加工等情況下每年總工作時間為4 016 h，遠低于驅(qū)動輪滾齒加工所需要的工時(9 300 h)。

經(jīng)過以上簡單計算對比，可以看出線切割及滾齒設備產(chǎn)能明顯約束了整個驅(qū)動輪的加工效率，通過提高線切割及滾齒設備數(shù)量可以緩解該問題。

1.2.2 驅(qū)動輪加工周轉(zhuǎn)問題

目前機二分公司加工漸開線齒面驅(qū)動輪時的周轉(zhuǎn)耗時較長影響了驅(qū)動輪加工效率，針對目前機二分公司驅(qū)動輪加工工藝路線及設備分布進行分析。

1) 漸開線齒面驅(qū)動輪加工工藝路線如下：

鍛造-熱(正火+高回)-車(粗車)-熱(時效)-車(半精車)-線切割(粗加工齒形)-滾齒(半精加工齒形)-鉗-熱(齒面滲碳)-車(半精車)-熱(整體淬火)-車(精車)-磨(精磨)-線切割(內(nèi)花鍵加工)-磨(齒面精磨)-鉗。

2) 目前機二分公司加工區(qū)域劃分及順序為：

熱處理區(qū)-中型車床區(qū)-熱處理區(qū)-中型車床區(qū)-線切割區(qū)-滾齒區(qū)-熱處理區(qū)-中型車床區(qū)-熱處理區(qū)-中型車床區(qū)-磨床區(qū)-線切割區(qū)-磨齒區(qū)。

通過驅(qū)動輪加工所需區(qū)域及順序來看，目前驅(qū)動輪加工周轉(zhuǎn)問題主要有3點：

1) 線切割區(qū)域設置較遠，零件周轉(zhuǎn)過程中跨車間周轉(zhuǎn)，周轉(zhuǎn)時間無法保證；

2) 磨床區(qū)與中型車床區(qū)轉(zhuǎn)運必須通過電動周轉(zhuǎn)平板車；

3) 熱處理工序較多造成多次跨車間周轉(zhuǎn)，周轉(zhuǎn)過程中存在停滯現(xiàn)象發(fā)生。

2 Witness的仿真解決方案與模擬運行

2.1 解決方案

針對該公司驅(qū)動輪加工的現(xiàn)狀以及存在的問題，考慮到研究對象的離散性，有別于傳統(tǒng)經(jīng)驗分析、簡單計算等分析方法，提出采用計算機仿真技術，借助現(xiàn)代離散事件動態(tài)系統(tǒng)仿真語言Witness(其中包括Witness提供的元素、規(guī)則和函數(shù)等)，并依據(jù)驅(qū)動齒輪的加工工藝，建立了基于Witness的齒輪加工過程的物流系統(tǒng)的仿真模型[3]。

2.2 驅(qū)動輪生產(chǎn)過程的仿真建模

在對煤機公司驅(qū)動輪加工現(xiàn)狀分析的基礎之上，以該公司目前驅(qū)動輪生產(chǎn)工序及實際情況為基礎，利用Witness軟件進行該實際加工過程的仿真建模、仿真分析[4]，達到數(shù)字化模擬生產(chǎn)流程的作用和目的。

2.2.1 齒輪加工描述

加工驅(qū)動齒輪使用了7組機器：車床組、線切割組、滾齒機組、磨床組、磨齒組、鉗工組、熱處理組。在其他車間粗加工過的驅(qū)動齒輪半成品即粗加工后的驅(qū)動齒輪零部件可以作為加工原料。按照要求原料要完成7 道工序并且都要在指定的機器組上處理，最后按照順序進行事先規(guī)定好的工藝流程，加工時間如表1。

表1 驅(qū)動齒輪的加工時間

2.2.2 模型元素定義

現(xiàn)實的生產(chǎn)或物流系統(tǒng)總是由一系列相互關聯(lián)的部分組成[5]。比如制造系統(tǒng)中的原材料、機器設備、倉庫、運輸工具、人員、加工路線或運輸路線等。Witness軟件使用與現(xiàn)實系統(tǒng)相同的事物組成相應的模型，通過運行一定的時間來模擬系統(tǒng)的行為。模型中的每個部件被稱之為“元素(Element)”，本模型主要有4種離散型元素：機器元素、緩沖區(qū)元素、勞動者元素和零部件元素，見表2。

表2 實體元素

2.2.3 模型的運行與輸出分析

設置仿真模型的機器類型都為單處理機，為了簡化驗證數(shù)據(jù)，以第一次線切割前為階段，進行分段驗證，經(jīng)計算知在37 h時，車床組完成它的第一個工件，因此可以設仿真時鐘為37，運行模型，然后觀察是否仿真時鐘點在37時，車床組完成它的第一個工件。

當系統(tǒng)具有隨機性時，就需要對實驗做多次運行。因為隨機輸入導致隨機輸出。在選擇仿真運行長度時，考慮啟動時間、資源失效可能間隔時間、處理時間等因素。通常的做法是在運行模型前設定系統(tǒng)的“預熱期”，本模型以一個月30 d，一天不間斷的工作8 h為仿真時間運行，仿真時間就為14 400 min，對應14 400個仿真時間單位 (30×8×60=14 400 min)。

本論文的分析中主要用到均值，確定了對系統(tǒng)模型進行輸出數(shù)據(jù)分析的方法后，還需要用來分析的數(shù)據(jù)，就要運行模型，得到數(shù)據(jù)報表。用同一個偽隨機數(shù)流：1，運行系統(tǒng)3次，運行時間為1 440個仿真時間單位后得到3組的統(tǒng)計值，其中零部件 棒料(Bang liao)的3組統(tǒng)計值如表3所示。

表3 單次運行的毛料統(tǒng)計

再釆用上面提到的動態(tài)仿真的輸出數(shù)據(jù)分析中采用的獨立重復運行法進行計算，這樣就得到了毛料的樣本均值、樣本方差和標準差如表4所示。

表4 運行3次的棒料統(tǒng)計

同理，分析機器組、緩沖區(qū)、勞動者的均值統(tǒng)計信息，此處不再贅述。

根據(jù)計算及圖表分析可知，零部件的平均制品庫存為20.33，平均逗留時間為157.52 h，零部件的平均逗留時間占到總運行時間的37%。機器的開動率最高為滾齒機組，達到71.26%，最低的是熱處理設備，僅有0.88%，打標磨床組、滾齒組的開動率很低，不到10%；機床中只有車床組阻塞率不為零，并且數(shù)值很大，為86.3%左右，這主要是零部件的被動進入系統(tǒng)方式，以及車床組設備多、加工時間短、故障率低的緣故；不管從動態(tài)圖上看到，還是計算分析得到，緩沖區(qū)b2和b3中的零部件都很多，b2現(xiàn)在就達到18個，平均12個，零部件在b2中的逗留時間為102 h。可見零部件的逗留時間幾乎都用在b2中，原因是線切割組考慮了安裝調(diào)整的時間，它的調(diào)整時間占到了20.77%,而等待工人來安裝調(diào)整的時間占到24.84%。從空閑率上看，線切割組和滾齒組是影響系統(tǒng)的瓶頸。負荷工作狀態(tài)處于一般負荷，仿真產(chǎn)出量為43。

3 結(jié)論

本文主要研究了驅(qū)動齒輪生產(chǎn)過程的傳統(tǒng)經(jīng)驗分析方法和應用Witness的模擬運行仿真。通過對兩種分析方法的實踐，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)驗式分析方法在尋找定性問題時候能起到作用，而應用Witness仿真在問題定量方面有不可替代的作用，并且通過對仿真的輸出分析，把加工過程的繁瑣工序簡化為一個生產(chǎn)車間的制造過程，能夠模擬生產(chǎn)過程并得出精確的仿真結(jié)論。